人工湿地对封闭水体净化的研究

陈 尧 倪金雷 汤文艳 章昱斌

（1.杭州国尼环保科技有限公司，浙江 杭州 310000；2.浙江中蓝环境科技有限公司，浙江 杭州 325088；3.湖南子宏生态科技股份有限公司，湖南 长沙 410100；4.安徽建筑大学环境与能源工程学院，安徽 合肥 230601）

0 引言

一些河涌众多地区，由于整体建设规划不完善，因此产生了大量的封闭水体河段。由于封闭水体河段无补水、持续暗管排污、地面径流污染[1]，水体污染物累计，超过其自净能力，造成河道水体水质恶化，形成黑臭水体。

针对黑臭水体治理，国家相关部门联合制定了《城市黑臭水体整治工作指南》[2]，提出了“控源截污、内源治理；活水循环、清水补给；水质净化，生态修复”的基本路线，活水循环和清水补给往往不具备条件。其中水质净化，分为原位净化[3]和异位净化技术[4]，原位净化主要为曝气、生态浮岛，异位净化主要为一体化净化设备、人工湿地以及常规污水站等。

在水质净化应用中，人工湿地具有净化效果好、景观效果好以及能耗低等特点。该文通过实际工程中异位人工湿地对黑臭封闭水体水质的净化研究，为黑臭水体水质净化提供指导。

1 试验部分

1.1 试验装置

封闭水体位于舟山市，全长约1000 m，宽度10 m，平均水深1.5 m，水量约15000 m3。由于在水体中存在排口，溶氧浓度低，无新鲜活水引入，造成水体黑臭。为治理该封闭水体水质，首先对排口进行排查和截污纳管，除地表径流外，基本控制了外源污染；其次，在封闭水体中游岸边设置一块面积为1000 m2的人工湿地，人工湿地采用垂直潜流型，用泵在封闭水体下游取水，输送至人工湿地进行净化，净化后水体通过重力管道通过沿岸放坡自流至封闭水体上游排放，使封闭水体实现一定程度的自循环（如图1 所示）。

图1 封闭水体水质净化示意图

人工湿地外墙采用砖混结构，湿地表面由上至下依次为植物、布水系统、集配介质、集水系统以及防渗膜。植物采用美人蕉和菖蒲，种植密度分别为1 株/m2、20 株/m2。集配介质由上至下包括以下3 层：1）覆盖层。粒径为8mm～16mm 砾石，厚度300mm。2）滤料层。粒径为0.2mm～6mm 无泥粗砂，厚度500mm。3）过渡层。粒径为4mm～8mm 砾石，厚度200mm。4）排水层。粒径为8mm～16mm 砾石，厚度300mm。

人工湿地表面设计水力负荷为1 m3/m2·d，泵流量为200 m3/h，采用时间继电器控制，每小时运行12.5 min，人工湿地每天净化水量为1000 m3，人工湿地运行15 d 对封闭水体整体进行一次全面净化。

1.2 取样及分析方法

取样点设置在封闭水体下游泵取水处。取样频率为4h一次，取12 h 混合样为单次测量水样。分析项目及测定方法见表1。

表1 水质指标的测定

2 数据分析和机理研究

2.1 人工湿地对封闭水体COD 的去除

该文数据为湿地建设调试完成后，开始取样检测。如图2 所示，湿地在运行第80 天取样，COD 由原来605mg/L降至40.1mg/L，COD 去除率为93.4%。前50dCOD 去除率为92.6%，第50 天至第80 天水样，COD 浓度基本无变化。开始到第80 天，每隔10 天COD 去除率分别为24.6%、21.8%、21.2%、16.2%、8.8%、1.2%、-0.7% 以及0.3%，相同时间间隔COD 的去除率基本逐渐降低，COD 浓度下降趋势减缓最后趋于稳定。

图2 人工湿地对封闭水体COD 的去除

COD 的去除包括人工湿地去除、封闭水体中微生物自净降解。封闭水体水深在1.0 m～2.0 m，可作为兼性塘[5]，由于封闭水体发黑，透光度相对较差，因此不考虑封闭水体中微生物自净部分，COD 基本由人工湿地去除。人工湿地对污染物的去除是湿地植物、湿地介质、湿地介质层中微生物三者协同，采用物理、化学、生物的方法完成。在COD 去除过程中，在人工湿地中起核心作用的是介质层中的微生物，将凝聚性与可溶性COD 进行生物降解[6]。

2.2 人工湿地对封闭水体总氮和氨氮的去除

如图3 所示，湿地在运行第80 天取样，总氮由原来的57.2 mg/L 降至11.4 mg/L，总氮去除率为80.1%。开始至第80天，每隔10 d 总氮去除率分别为16.4%、13.8%、14.9%、10.0%、10.7%、9.1%、3.0%以及2.3%，相同时间间隔总氮的去除率整体呈下降趋势。第80 天取样氨氮由原来38.3mg/L 降至0.49mg/L，氨氮去除率为98.7%。开始至第80d，每隔10d 氨氮去除率分别为10.2%、13.6%、15.9%、18.8%、25.8%、13.9%、0.3%、0.1%，前50d相同时间间隔氨氮的去除率呈上升趋势，第60d 氨氮浓度开始趋于稳定，氨氮浓度呈较低值。

图3 人工湿地对封闭水体总氮和氨氮的去除

封闭水体中总氮主要是由氨氮和硝态氮组成的。氨氮的主要去除途径为湿地中微生物的硝化作用、植物直接吸收；总氮的主要去除途径为湿地中微生物的反硝化作用、植物直接吸收[7]。氨氮和总氮的去除率有一定相关性，由于去除机理的不同，造成去除率的变化趋势不同。开始阶段，封闭水体中COD 浓度相对较高，对硝化作用有抑制作用[8]，由于前期有机污染物物浓度较高，为硝态氮的反硝化提供了相对充足的碳源，为微生物反硝化反应提供了良好条件，因此在开始阶段，随着时间推移，相同时间段内总氮去除率变化呈下降趋势，相同时间内氨氮去除率变化呈上升趋势。

2.3 人工湿地对封闭水体总磷的去除

如图4 所示，湿地在运行第80 天取样，总磷从原来的9.5mg/L 降至1.2mg/L，总磷去除率为87.4%。开始至第80 天，每隔10 天总氮去除率分别为23.2%、20.0%、17.9%、9.5%、6.3%、3.2%、4.2%以及3.2%，相同时间间隔总磷的去除率整体呈下降趋势。总磷浓度仍存在下降的趋势，即80d 后人工湿地对总磷浓度降低仍具有一定的效果。通过后期人工湿地对封闭水体的持续净化，可以将总磷浓度控制在更低的水平。

图4 人工湿地对封闭水体总磷的去除

总磷的去除主要途径为湿地植物的吸收和湿地介质的吸附。植物吸收磷后可转化为植物的ATP、DNA 以及RNA等有机物[9]，最后通过植物的收割去除。湿地介质中含有钙离子和镁离子，对水中总磷有化学吸附作用，转化为不溶性的磷酸盐，附着在介质上，对水中的总磷去除。对总磷的2种去除途径去除效果都与水体中总磷的浓度有关，当总磷浓度下降时，传质作用下降，植物根系与介质对总磷的捕捉效率下降。

2.4 人工湿地对封闭水体蓝藻爆发预防的分析

人工湿地对封闭水体净化80d 后，各项水质指标提升，黑臭现象消除，COD、总氮、氨氮、总磷指标分别为40.1mg/L、11.4mg/L、0.49mg/L、1.2mg/L 均高于《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）中地表水V 类水质对应的40mg/L、2.0mg/L、2.0mg/L、0.2mg/L（湖库），水体为劣五类水体。根据美国环境保护局（EPA）对水体富营养化划分，当水体总磷大于0.02mg/L～0.025mg/L 可判断为富营养化水体。对藻类化学成分进行分析，典型藻类的经验分子式为（CH2O）106（NH3）16（H3PO4），其中氮磷质量含量比为7.2 ∶1，封闭水体根据氮磷比为9.5 ∶1，适宜藻类的生长。综上所述，经80d处理后，封闭水体水质存在藻类爆发风险。

封闭水体通过截污后，封闭水体污染源主要为地表径流雨水与封闭水体底部淤泥，这两个污染源会增加封闭水体COD、总氮、氨氮和总磷等指标。如图2～图4 所示，经80 d 人工湿地净化COD、氨氮去除与污染源引入已达平衡，总氮、总磷去除大于污染源引入，为使封闭水体水质得到进一步提升和降低蓝藻爆发风险，除持续进行人工湿地净化外，还需引入其他方法对水体污染进行控制，降低COD、总氮、氨氮和总磷等指标，引入内源营养负荷控制和对封闭水体生态系统修复技术。内源营养负荷控制技术包括用引水稀释、底泥疏浚、生物净化技术。封闭水体所在区域位置不满足引水稀释条件。进行底泥疏浚，可先对底泥进行采样监测和评价，再根据底泥监测评价和底泥中水生生物监测评价结果及水质情况确定清淤厚度，以实现精准清淤，避免过度清淤造成封闭水体底床破坏或清淤厚度不够。控制内源的生物净化技术，主要为向封闭水体投加微生物菌剂，通过有机物分解、硝化作用、反硝化作用，降低水中COD、氨氮、总氮。水体生态修复主要是在封闭水体底部建设稳定草型水体生态系统，该系统能吸收水体中氮磷提升水质，同时能遏制沉积物的动力悬浮过程，提高水体透明度。该文研究的封闭水体须经过藻型为主的生态系统，当水体营养物质在一定范围内且水体具有一定的透明度时，才能建设成稳定草型水体生态系统。

封闭水体经过人工湿地净化后，水质得到改善，在湿地表面水力负荷承受范围内，可减少封闭水体一次全面净化的时间，即增加每天湿地处理水量，结合实际运行情况，水力负荷可调整为5 m3/m2·d。湿地水力负荷提升后，能提高水体断面平均流速。流速对蓝藻的生长和优势藻种变化影响显著，如果流速较高就能抑制蓝藻生长，同时能促进其他藻类生长。

3 结论

通过数据分析和机理研究，得出以下4 个结论：1）人工湿地对封闭水体有良好的净化效果，经80 d湿地的净化COD、总氮、氨氮和总磷的去除率分别为93.4%、80.1%、98.7%和87.4%。2）人工湿地具有微生物反应、介质吸收、植物吸收等多途径相互协调作用，在无曝气和外加药剂投加情况下，可对氨氮、总磷去除效果良好。3）结合文中数据和水质净化情况，封闭水体的治理可分为2 个阶段，第一阶段通过人工湿地净化，黑臭消除，水质快速提升；第二阶段为水质深度提升和蓝藻爆发预防阶段，该阶段还需引入其他技术进行共同作用，如底泥疏浚、生物净化技术，建设稳定草型生态系统。4）为充分发挥人工湿地在封闭水体净化中作用，湿地运行的表面水力负荷可根据封闭水体水质进行调整，提高该负荷能提高封闭水体断面平均流速，抑制蓝藻生长。